4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

пленкой. Большая площадь тензометрических проводников обеспечивает хорошую чувствительность измерений.

Датчик приклеивают к измеряемому предмету. Под действием деформации изменяется сопротивление резистора, а соответственно подающего сигнала.

3

1 2

Рисунок 2.51 – Резистивный тензодатчик

2.9.4 Пьезорезонансный тензодатчик

В этом типе датчиков применяются два эффекта: обратный и прямой. Элемент чувствительности датчика – резонатор. Пьезоэффект обратный обуславливается напряжением, которое вызывает заряды, это называется прямым пьезоэффектом.

Колебания резонатора вызывают резонансные колебания. Пьезорезонансные датчики подключаются по разным схемам. На рисунке 2.52 изображена схема с генератором частоты и фильтра резонанса. Сила действует на резонатор, изменяет настройки частоты фильтра, от которых зависит напряжение выхода.

Резонатор

Рисунок 2.52 – Пьезорезонансный тензодатчик

2.9.5 Пьезоэлектрические датчики

Работа заключается на основе прямого пьезоэффекта. Им обладают такие материалы: кристаллы титаната бария, турмалина, кварца. Они химически

102

устойчивы, имеют высокую прочность, их свойства мало зависят от окружающей температуры.

Суть эффекта состоит в действии силы на материал, при этом возникают заряды разной полярности, величина которых зависит от силы. Датчик, представленный на рисунке 2.53, состоит из корпуса, двух пьезопластин, выводов. При воздействии силы пластины сжимаются, возникает напряжение, поступающее на усилитель сигнала. Такие тензометрические датчики используются для контроля динамических сил.

Усилитель

Рисунок 2.53 – Пьезоэлектрические датчики

2.9.6 Магнитные тензометрические датчики

Магнитострикция является основным явлением для работы датчиков этого типа. Такой эффект меняет геометрию размеров в магнитном поле. Изменение геометрии изменяет магнитные свойства, что называется магнитоупругого эффекта. При снятии усилия свойства тела возвращаются.

Это определяется изменением расположения атомов в решетке кристаллов в магнитном поле или под действием силы. Магнитные тензодатчик состоит из катушки индуктивности, расположенной на ферромагнитном сердечнике. От силы сердечник деформируется, получая состояние напряженности. Изменение сердечника дает изменение его проницаемости, а, следовательно, изменяется магнитное сопротивление и индуктивность катушки.

Температурные погрешности при этом доходят до 1 % на 1 ºС. Поэтому часто для компенсации температурных влияний два одинаковых датчика, находящихся в одинаковых температурных условиях, включают в смежные плечи мостовой схемы. Питание мостовых схем с подобными датчиками осуществляют от источника переменного тока повышенной частоты (f = 5 000 – 50 000 Гц).

Величина относительного изменения магнитной проницаемости является функцией следующих параметров:

а значение чувствительности датчика по отношению к механическим напряжениям рх

103

S f Н , ,... ,px 0

где Н – величина напряженности намагничивающего поля; температуры датчика.

Максимальная чувствительность датчика S S макс будет иметь место при Н=Нопт, которая соответствует макс.

В качестве материала магнитоупругих датчиков обычно применяют никелево-железные сплавы. Зависимость относительного изменения магнитной проницаемости от величины механических напряжений

В качестве материала для датчика можно рекомендовать также сплав 65% Nі и 35% Fе. Часто датчики-тензометры предварительно тренируют путем многократных деформаций.

Широко применяемыми стали датчики с двумя катушками. Первичная – запитана генератором, во вторичной образуется ЭДС. Во время деформации магнитная проницаемость меняется. В результате меняется ЭДС 2-й обмотки.

2.9.7 Емкостные датчики

Для ряда материалов существует зависимость относительного изменения диэлектрической проницаемости от величины механических напряжений

/ f px . Эта зависимость может быть использована для построения

емкостных датчиков, реагирующих на величину усилий. При этом диэлектрическая проницаемость в зависимости от величины давления

определяется как 0 1 Spx . Чувствительность датчика будет равна:

S / f0 U , const.

px

Включение датчика осуществляется по мостовой или дифференциальной схеме. Составляя столб из ряда (n) датчиков так, чтобы на них воздействовала одна и та же сила Рх, соединяя обкладки параллельно, можно получить достаточно большое значение емкости датчика CΣ =nC и увеличить значение проводимости датчика СΣ.

Обычно применяют вариант со сжатием диэлектрика между пластинами.

2.10Датчики расхода и счётчики количества вещества

2.10.1Общие положения

Расходомер – прибор, измеряющий объемный расход или массовый расход вещества, то есть количество вещества (объем, масса), проходящее через данное сечение потока, например, сечение трубопровода в единицу времени. Если прибор имеет интегрирующее устройство (счетчик) и служит для одновременного измерения и количества вещества, то его называют счетчиком-

104

расходомером. Масса или объем вещества, прошедшего через счетчик, определяется по разности двух последовательных во времени показаний отсчетного устройства или интегратора.

Расход вещества – это масса или объем вещества, проходящего через данное сечение канала средства измерения расхода в единицу времени. В зависимости от того, в каких единицах измеряется расход, различают объемный расход или массовый расход. Объемный расход измеряется в м3/с (м3/ч и т. д.), а массовый – в кг/с (кг/ч, т/ч и т. д.).

2.10.2 Объемные расходомеры

Расходомеры с овальными шестернями – это объемные расходомеры вытеснительного типа, которые перемещают определенные части объема в отдельные измерительные камеры (рисунок 2.54). В положении а левая Л ведомая шестерня выталкивает объём 0, а правая П ведущая шестерня отсекла дозированный объём 1. В положении б выталкивается объём 1, в то время как шестерня Л отсекает дозированный объём 2. В положении в выталкивается объём 2, а отсекается объём 3. За пол–оборота шестерен, например, от а к в выталкивается два дозированных объёма, а за один оборот – 4 дозированных объёма. Выходным сигналом счётчика является число оборотов любой шестерни, которое прямо пропорционально объему прошедшей через счётчик жидкости.

Рисунок 2.54 – Счётчики с овальными шестернями

Достоинства:

относительно высокая точность измерений;

возможность генерации импульсного выхода, который может быть передан в систему управления;

данные расходомеры хорошо подходят для автоматического дозирования и учета.

Недостатки:

потеря напора от установки счётчика составляет примерно 0,02МПа;

узкий диапазон измерений величины расхода (от 0,8 до 36 м3/ч при рабочем давлении 1,57 МПа);

небольшие диаметры трубопроводов (диаметры условных проходов

15–50 мм);

снижение точности, связанное с просачиванием вещества через внутреннюю изолированную поверхность.

105

2.10.3 Скоростной счётчик

Скоростной счётчик (рисунок 2.55) содержит крыльчатку или ротор, которые вращаются под действием протекающего потока жидкости или газа. Число оборотов будет пропорционально объёму вещества, прошедшему через счётчик.

Рисунок 2.55 – Скоростные счётчики

Преимущества:

просты по конструкции;

обладают малой потерей давления.

Недостатки:

зависимость показаний от вязкости измеряемой жидкости;

менее надежны в эксплуатации вследствие одностороннего износа опоры;

значительного изменения показаний при засорении.

2.10.4 Расходомеры переменного перепада давления

Расходомеры переменного перепада давления основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого устройством, которое установлено в трубопроводе, или же самим элементом последнего.

Измерение расхода напорными трубками (см. рисунок 2.56 а) основано на измерении динамического напора потока вещества. В минусовой трубке 1 имеется только статическое давление потока, а в плюсовой 2 к статическому напору добавляется динамический напор. По скорости движения при известном сечении S трубы определяется расход вещества как: vS, м3/с. Дифманометром ДМ измеряется динамический напор, но шкала может быть проградуирована в единицах расхода.

Более точными и, поэтому, чаще всего применяемыми на практике являются расходомеры на основе сужающих устройств типов диафрагмы (рисунок 2.56 б) и сопла (рисунок 2.56 в). На диафрагме поток сжимается и под действием сил инерции продолжает сжиматься на некотором расстоянии после диафрагмы. Движущей силой потока, определяющей скорость движения вещества через диафрагму, является перепад давлений. В самом узком сечении потока давление минимальное, а перед диафрагмой давление – максимальное. Перепад давления измеряется дифманометром.

106

Рисунок 2.56 – Расходомеры гидравлического сопротивления

На точность измерения расхода диафрагмами оказывают завихрения после диафрагмы. У сопел Вентури таких завихрений нет, поэтому их точность существенно выше.

Достоинства:

метод применяется для измерения расход практически любых сред: жидкостей, газа, пара;

низкая первоначальная стоимость;

беспроливная методика поверки;

отсутствие движущихся частей;

измерение расхода в условиях высокого давления (до 40 МПа);

измерение расхода в условиях высоких и низких температур. (–200

до +1000 °С);

широкий диапазон типоразмеров (Ду = 15–2000 мм);

простота конструкции;

возможность расчетным путем определять расход без натурной градуировки расходомера в случае трубопроводов диаметрами 50–1000 мм.

Недостатки:

небольшой диапазон измерений из-за квадратичной зависимости между расходом и перепадом давлений;

значительные потери давления на гидравлическом сопротивлении и связанные с этим дополнительные затраты энергии;

узкий динамический диапазон (1:3);

высокая стоимость эксплуатации из-за периодического обслуживания: измерение геометрических размеров сужающего устройства, прочистка импульсных линий, прогрев импульсных линий, установка нуля на датчике дифференциального давления;

небольшой межповерочный интервал (стандартный межповерочный интервал расходомера составляет – 1 год).

107

2.10.5 Расходомеры постоянного перепада давления

Расходомеры постоянного перепада давления – ротаметры (рисунок 2.57 а) – предназначены для измерения расхода чистых жидкостей и газов. Они состоят из вертикальной конической трубы, выполненной из металла, стекла или пластика, в которой свободно перемещается вверх и вниз специальный поплавок. Поток движется по трубе в направлении снизу вверх, заставляя поплавок подниматься до уровня, на котором все действующие силы находятся в состоянии равновесия. На поплавок воздействуют три силы:

–Выталкивающая сила, которая зависит от плотности среды и объёма поплавка.

–Сила тяжести, которая зависит от массы поплавка.

–Сила потока, которая зависит от формы поплавка и скорости потока, проходящего через сечение ротаметра между поплавком и стенками трубы.

3

Рисунок 2.57 – Расходомеры постоянного перепада давления:

а – ротаметр; б – поплавковый расходомер; в – поршневой расходомер

Каждая величина расхода соответствует определённому переменному сечению, зависящему от формы конуса измерительной трубы и конкретного положения поплавка. В случае стеклянных конусов, значение расхода может быть считано прямо со шкалы на уровне поплавка. В случае конусов, выполненных из металла, положение поплавка передаётся на дисплей при помощи системы магнитов. Не требуется никакого дополнительного источника питания. Различные диапазоны измерения достигаются за счёт многообразия размеров и форм конуса, а также возможности выбора различных форм и материалов изготовления поплавка.

Поплавковый расходомер постоянного перепада давления (см. рисунок 2.57 б) состоит из поплавка 1 и конического седла 2 расположенных в корпусе прибора. Коническое седло выполняет ту же роль, что и коническая трубка ротаметра. Различие заключается в том, что длина и диаметр седла примерно равны, а у ротаметров длина конической трубки значительно больше ее диаметра.

108

В поршневом расходомере (рисунок 2.57 в) чувствительным элементом является поршень, перемещающийся внутри втулки 2.

Втулка имеет входное отверстие 5 и выходное отверстие 4, которое является диафрагмой переменного сечения. Поршень с помощью штока соединен с сердечником передающего преобразователя 3. Протекающая через расходомер жидкость поступает под поршень и поднимает его. При этом открывается в большей или меньшей степени отверстие выходной диафрагмы. Жидкость, протекающая через диафрагму, одновременно заполняет также пространство над поршнем, что создает противодействующее усилие.

Достоинства:

простота конструкции;

возможность измерений в широком диапазоне значений расхода;

возможность измерений в широком диапазоне диаметров трубопроводов (от десятков до 3000 мм и более);

возможности применения для различных по составу и агрессивности жидкостей и газов при температурах до 350–400 °С и давлениях до 100 МПа;

возможности расчетным путем определять расход без натурной градуировки расходомера в случае трубопроводов диаметрами 50–1000 мм.

Недостатки:

небольшой диапазон измерений из-за квадратичной зависимости между расходом и перепадом давлений (3:1);

значительные потери давления на гидравлическом сопротивлении и связанные с этим дополнительные затраты энергии.

2.10.6 Электромагнитный расходомер

В основе электромагнитных расходомерах (рисунок 2.58) лежит закон электромагнитной индукции, известный как закон Фарадея. Когда проводящая жидкость, например вода, проходит через силовые линии магнитного поля, индуцируется электродвижущая сила. Она пропорциональна скорости движения проводника, а направление тока – перпендикулярно направлению движения проводника.

Рисунок 2.58 – Электромагнитный расходомер

В электромагнитных расходомерах жидкость течет между полюсами магнита, создавая электродвижущую силу. Прибор измеряет напряжение между двумя электродами, рассчитывая тем самым объем проходящей через

109

трубопровод жидкости. Это надежный и точный метод, потому что сам прибор не влияет на скорость течения жидкости, а за счет отсутствия движущихся частей оборудование долговечное.

При движении проводников в магнитном поле в них возникает электродвижущая сила Е, равная

E=Bdv,

где В – индукция магнитного поля внутри трубы; d – длина проводников, равная внутреннему диаметру трубы; v – скорость движения жидкости.

Преимущества:

умеренная стоимость;

нет движущихся и неподвижных частей в поперечном сечении;

большой динамический диапазон измерений.

Недостатки:

необходимость изолирования трубопровода в месте измерения;

невозможность измерения расхода непроводящих сред (газ, спирт, легкие нефтепродукты);

требования к прямым участкам – 5…10 D до и после расходомера;

расходомеры (особенно с постоянным магнитом) могут забивать трубопровод металлическим мусором – для этого их приходится периодически отключать;

очень чувствителен к различного рода неоднородностям потока.

2.10.7 Ультразвуковой расходомер

В ультразвуковом расходомере (см. рисунок 2.59) имеется два излучателя И1 и И2 и два приёмника П1 и П2 ультразвука. Время прохождения t2 звуковой волной расстояния между И2 и П2 больше, чем время прохождения t1 звуковой волной расстояния между И1 и П1, так как в первом случае волна звука распространяется навстречу потоку жидкости, а во втором – согласно с потоком.

По разности ∆t=t2 – t1 определяется скорость v, а затем при известном сечении S трубы определяется расход Sv.

t

Рисунок 2.59 – Ультразвуковой расходомер

Достоинства:

отсутствие гидродинамического сопротивления;

110